Жердин кабыктарында берилген химиялык элементтердин ар бири: атмосфера, литосфера жана гидросфера - атомдук жана молекулярдык теориянын жана мезгилдик мыйзамдын принципиалдуу маанисин ырастаган ачык мисал боло алат. Аларды жаратылыш илиминин корифейлери – орус окумуштуулары М. В. Ломоносов жана Д. И. Менделеев формулировкалаган. Лантаниддер жана актиниддер ар биринде 14 химиялык элементтерди камтыган эки үй-бүлө, ошондой эле металлдардын өздөрү - лантан жана актиний. Алардын касиеттери - физикалык жана химиялык - бул макалада биз тарабынан каралат. Мындан тышкары, биз суутектин, лантаниддердин, актиниддердин мезгилдик системасындагы абалы алардын атомдорунун электрондук орбиталдарынын түзүлүшүнөн кандай көз каранды экенин аныктайбыз.
Ачылуулар таржымалы
18-кылымдын аягында Ю. Гадолин сейрек кездешүүчү металлдар тобунан биринчи кошулманы – иттрий оксидин алган. 20-кылымдын башына чейин Г. Мозелинин химиядагы изилдөөлөрүнүн аркасында металлдар тобунун бар экендиги белгилүү болгон. Алар лантан менен гафнийдин ортосундагы мезгилдик системада жайгашкан. Дагы бир химиялык элемент - актиний, лантан сыяктуу, 14 радиоактивдүү үй-бүлөнү түзөтактиниддер деп аталган химиялык элементтер. Алардын илимдеги ачылышы 1879-жылдан 20-кылымдын ортосуна чейин болгон. Лантаниддер жана актиниддер физикалык жана химиялык касиеттери боюнча көп окшоштуктарга ээ. Муну бул металлдардын атомдорундагы электрондордун жайгашуусу менен түшүндүрүүгө болот, алар энергетикалык деңгээлде, тактап айтканда, лантаниддер үчүн бул төртүнчү деңгээлдеги f-кичи деңгээл, ал эми актиниддер үчүн - бешинчи деңгээлдеги f-кичи деңгээл. Андан кийин биз жогорудагы металлдардын атомдорунун электрондук кабыктарын кененирээк карап чыгабыз.
Атомдук жана молекулалык окуулардын жарыгында ички өткөөл элементтердин түзүлүшү
Химиялык заттардын структурасын М. В. Ломоносов тарабынан гениалдуу ачылышы атомдордун электрондук кабыктарын андан ары изилдөө үчүн негиз болгон. Химиялык элементтин элементардык бөлүкчөсүнүн түзүлүшүнүн Резерфорд модели, М. Планктын, Ф. Гунддун изилдөөлөрү химиктерге лантаниддерди жана актиниддерди мүнөздөөчү физикалык жана химиялык касиеттердин мезгилдүү өзгөрүшүнүн учурдагы закон ченемдүүлүктөрүн туура түшүндүрмөлөрдү табууга мүмкүндүк берди. Өткөөл элементтердин атомдорунун түзүлүшүн изилдөөдө Д. И. Менделеевдин мезгилдик мыйзамынын эң маанилүү ролун эске албай коюуга болбойт. Бул маселеге кененирээк токтололу.
Д. И. Менделеевдин мезгилдик системасындагы ички өтүү элементтеринин орду
Алтынчы - чоң мезгилдин үчүнчү тобунда - лантандын артында церийден лютецийге чейинки металлдардын үй-бүлөсү турат. Лантан атомунун 4f субдеңгээли бош, ал эми лютеций атому толугу менен 14-деңгээли менен толтурулган.электрондор. Алардын ортосунда жайгашкан элементтер акырындык менен f-орбиталдарды толтуруп жатышат. Актиниддердин үй-бүлөсүндө - торийден лауренцийге чейин - терс заряддуу бөлүкчөлөрдүн топтоо принциби бир гана айырма менен байкалат: электрондор менен толтуруу 5f субдеңгээлинде болот. Сырткы энергетикалык деңгээлдин түзүлүшү жана андагы терс бөлүкчөлөрдүн саны (экиге барабар) жогорудагы бардык металлдар үчүн бирдей. Бул факт эмне үчүн ички өткөөл элементтер деп аталган лантаниддер менен актиниддердин окшоштуктары көп деген суроого жооп берет.
Химиялык адабияттын кээ бир булактарында эки үй-бүлөнүн өкүлдөрү экинчи каптал топторго бириктирилген. Алар ар бир үй-бүлөдөн эки металлды камтыйт. Д. И. Менделеевдин химиялык элементтеринин мезгилдик системасынын кыска формасында бул үй-бүлөлөрдүн өкүлдөрү таблицадан бөлүнүп, өзүнчө катарга тизилген. Демек, лантаниддер менен актиниддердин мезгилдик системадагы абалы атомдордун түзүлүшүнүн жалпы планына жана ички деңгээлдердин электрондор менен толтурулушу мезгилдүүлүгүнө туура келет жана бирдей кычкылдануу даражаларынын болушу ички өтүүчү металлдардын жалпы топторго биригүүсүн шарттады.. Аларда химиялык элементтер лантанга же актинийге барабар өзгөчөлүктөргө жана касиеттерге ээ. Ошондуктан лантаниддер жана актиниддер химиялык элементтердин таблицасынан алынып салынган.
F-кичи деңгээлдин электрондук конфигурациясы металлдардын касиеттерине кандай таасир этет
Мурда айткандай, лантаниддердин жана актиниддердин мезгилдиксистемасы алардын физикалык жана химиялык мүнөздөмөлөрүн түздөн-түз аныктайт. Ошентип, церийдин, гадолинийдин жана лантаниддер үй-бүлөсүнүн башка элементтеринин иондору жогорку магниттик моменттерге ээ, бул f-кичи деңгээлдин структуралык өзгөчөлүктөрү менен байланышкан. Бул магниттик касиети бар жарым өткөргүчтөрдү алуу үчүн металлдарды кошумча заттар катары колдонууга мүмкүндүк берди. Актиний түркүмүндөгү элементтердин сульфиддери (мисалы, протактиний сульфиди, торий) молекулаларынын курамында химиялык байланыштын аралаш түрүнө ээ: иондук-коваленттик же коваленттик-металл. Түзүмдүн бул өзгөчөлүгү жаңы физикалык-химиялык касиеттин пайда болушуна алып келди жана эмне үчүн лантаниддер жана актиниддер люминесценттик касиетке ээ деген суроого жооп катары кызмат кылган. Мисалы, караңгыда күмүш түстө болгон анемондун үлгүсү көгүш түстө жаркырап турат. Бул электр тогунун, металл иондоруна жарыктын фотондорунун таасири менен түшүндүрүлөт, анын таасири астында атомдор дүүлүктүрүлөт жана алардагы электрондор жогорку энергетикалык деңгээлге «секирип», андан кийин стационардык орбиталарына кайтып келишет. Дал ушул себептен улам лантаниддер жана актиниддер фосфорлор катары классификацияланат.
Атомдордун иондук радиустарынын азайышынын кесепеттери
Лантанда жана актинийде, ошондой эле алардын үй-бүлөсүнөн турган элементтерде металл иондорунун радиустарынын көрсөткүчтөрүнүн маанисинин монотондуу төмөндөшү байкалат. Химияда мындай учурларда лантанид жана актиниддик кысуу жөнүндө сөз кылуу адатка айланган. Химияда төмөнкүдөй мыйзам ченемдүүлүк белгиленген: атомдордун ядросунун зарядынын көбөйүшү менен, эгерде элементтер бир мезгилге таандык болсо, алардын радиустары азаят. Муну төмөнкүчө түшүндүрүүгө болотжол: церий, празеодим, неодим сыяктуу металлдар үчүн алардын атомдорундагы энергетикалык деңгээлдердин саны өзгөрүүсүз жана алтыга барабар. Бирок, ядролордун заряддары тиешелүү түрдө бирге көбөйөт жана +58, +59, +60 болот. Бул оң заряддуу ядрого ички кабыктардын электрондорунун тартылуу күчү жогорулайт дегенди билдирет. Натыйжада атомдук радиустар азаят. Металлдардын иондук бирикмелеринде атомдук сандын өсүшү менен иондук радиустар да азаят. Ушундай эле өзгөрүүлөр анемондор тукумундагы элементтерде байкалат. Ошондуктан лантаниддер жана актиниддер эгиздер деп аталат. Иондордун радиустарынын азайышы, биринчи кезекте, Ce(OH)3, Pr(OH)3 гидроксиддеринин негизги касиеттеринин начарлашына алып келет. касиет.
4f-кичи деңгээлдин европий атомунун орбиталдарынын жарымына чейинки жупташкан электрондор менен толтуруусу күтүлбөгөн натыйжаларга алып келет. Анын атомдук радиусу азайбайт, тескерисинче, көбөйөт. Лантаниддердин катарында аны ээрчиген гадолиний Евге окшош 5d поддеңгээлинде 4f субдеңгээлинде бир электронго ээ. Бул түзүлүш гадолиний атомунун радиусунун кескин төмөндөшүнө алып келет. Ушундай эле көрүнүш бир жуп иттербий – лютетийде да байкалат. Биринчи элемент үчүн атомдук радиус 4f субдеңгээли толук толтурулгандыктан чоң, ал эми лютеций үчүн кескин азаят, анткени электрондордун пайда болушу 5d поддеңгээлинде байкалат. Бул үй-бүлөнүн актиний жана башка радиоактивдүү элементтеринде алардын атомдорунун жана иондорунун радиустары монотондуу эмес, лантаниддер сыяктуу кадам сайын өзгөрөт. Ошентип, лантаниддер жанаактиниддер - алардын кошулмаларынын касиеттери иондук радиуска жана атомдордун электрондук кабыкчаларынын түзүлүшүнө салыштырмалуу көз каранды элементтер.
Валенттик абал
Лантаниддер жана актиниддер мүнөздөмөлөрү абдан окшош элементтер. Атап айтканда, бул алардын иондордогу кычкылдануу даражаларына жана атомдордун валенттүүлүгүнө тиешелүү. Мисалы, Th(OH)3, PaCl3, ThF кошулмаларындагы үч валенттүүлүгүн көрсөткөн торий жана протактиний 3 , Па2(CO3)3. Бул заттардын баары эрибейт жана лантан үй-бүлөсүнө кирген металлдар сыяктуу эле химиялык касиеттерге ээ: церий, празеодим, неодим ж.б. Бул кошулмалардагы лантаниддер да үч валенттүү болот. Бул мисалдар лантаниддер менен актиниддер эгиз деген сөздүн тууралыгын дагы бир жолу далилдейт. Алар окшош физикалык жана химиялык касиеттерге ээ. Муну биринчи кезекте ички өткөөл элементтердин эки үй-бүлөсүнүн атомдорунун электрон орбиталдарынын түзүлүшү менен түшүндүрүүгө болот.
Металлдын касиеттери
Эки топтун бардык өкүлдөрү металлдар болуп саналат, аларда 4f-, 5f-, ошондой эле d-кичи деңгээли толукталган. Лантан жана анын үй-бүлөсүнүн элементтери сейрек кездешүүчү элементтер деп аталат. Алардын физикалык жана химиялык мүнөздөмөлөрү ушунчалык жакын болгондуктан, лабораториялык шарттарда абдан кыйынчылык менен өзүнчө бөлүнөт. Көбүнчө +3 кычкылдануу абалын көрсөткөн лантан сериясынын элементтери щелочтуу жер металлдары (барий, кальций, стронций) менен көп окшоштуктарга ээ. Актиниддер өтө активдүү металлдар жана ошондой эле радиоактивдүү.
Лантаниддердин жана актиниддердин структуралык өзгөчөлүктөрү ошондой эле, мисалы, майда дисперстүү абалда пирофордуулук сыяктуу касиеттерге тиешелүү. Металлдардын бет-центрленген кристалл торлорунун өлчөмүнүн төмөндөшү да байкалат. Эки үй-бүлөнүн бардык химиялык элементтери күмүш жылтылдаган металлдар экенин кошумчалайбыз, алардын жогорку реактивдүүлүгүнөн улам абада тез караңгылайт. Алар андан ары кычкылдануудан коргой турган тиешелүү оксиддин пленкасы менен капталган. Бардык элементтер жетишээрлик отко чыдамдуу, нептуний менен плутонийден башкасы, алардын эрүү температурасы 1000 °C төмөн.
Мүнөздүү химиялык реакциялар
Мурда белгиленгендей, лантаниддер жана актиниддер реактивдүү металлдар болуп саналат. Ошентип, лантан, церий жана башка үй-бүлө элементтери жөнөкөй заттар - галогендер, ошондой эле фосфор, көмүртек менен оңой айкалышат. лантаниддер да көмүртек кычкылы жана көмүр кычкыл газы менен өз ара аракеттене алат. Алар ошондой эле сууну ыдыратууга жөндөмдүү. Жөнөкөй туздардан тышкары, мисалы, SeCl3 же PrF3, алар кош туздарды түзөт. Аналитикалык химияда лантаниддик металлдардын амин уксус жана лимон кислоталары менен болгон реакциялары маанилүү орунду ээлейт. Мындай процесстердин натыйжасында пайда болгон комплекстүү бирикмелер, мисалы, рудаларда лантаниддердин аралашмасын бөлүү үчүн колдонулат.
Нитрат, хлорид жана сульфат кислоталары, металлдар менен аракеттенгендетиешелүү туздарды түзөт. Алар сууда жакшы эрийт жана оңой кристалл гидраттарды түзүүгө жөндөмдүү. Белгилей кетсек, лантанид туздарынын суудагы эритмелери түстүү болот, бул аларда тиешелүү иондордун болушу менен түшүндүрүлөт. Самарий же празеодим туздарынын эритмелери жашыл, неодим - кызыл-кызгылт, прометий жана европий - кызгылт. Кычкылдануу даражасы +3 болгон иондор түстүү болгондуктан, бул аналитикалык химияда лантанид металл иондорун таануу үчүн колдонулат (сапаттык реакциялар деп аталган). Ушул эле максатта фракциялык кристаллдашуу жана ион алмашуу хроматографиясы сыяктуу химиялык анализ ыкмалары да колдонулат.
Актиниддерди элементтердин эки тобуна бөлүүгө болот. Булар беркелий, фермий, менделевий, нобелий, лауренций жана уран, нептуний, плутоний, омерций. Алардын биринчисинин химиялык касиеттери лантанга жана анын үй-бүлөсүнө таандык металлдарга окшош. Экинчи топтун элементтери абдан окшош химиялык мүнөздөмөлөргө ээ (бири-бирине дээрлик окшош). Бардык актиниддер металл эместер: күкүрт, азот, көмүртек менен тез аракеттенишет. Алар кычкылтек камтыган легендалар менен татаал бирикмелерди түзөт. Көрүнүп тургандай, эки үй-бүлөнүн металлдары химиялык жүрүм-туруму боюнча бири-бирине жакын. Ушундан улам лантаниддер жана актиниддер көбүнчө кош металлдар деп аталат.
Суутектин, лантаниддердин, актиниддердин мезгилдик системасындагы орду
Суутек бир кыйла реактивдүү зат экенин эске алуу зарыл. Ал химиялык реакциянын шарттарына жараша көрүнөт: калыбына келтирүүчү жана кычкылдандыргыч катары. Ошондуктан мезгилдик системадасуутек бир эле учурда эки топтун негизги подгруппаларында жайгашкан.
Биринчисинде суутек бул жерде жайгашкан щелочтуу металлдар сыяктуу калыбына келтирүүчү агенттин ролун ойнойт. Галогендер элементтери менен бирге 7-топтогу суутектин орду анын калыбына келтирүүчү жөндөмүн көрсөтөт. Алтынчы мезгилде, жогоруда айтылгандай, лантаниддер үй-бүлөсү үстөлдүн ыңгайлуулугу жана компакттуулугу үчүн өзүнчө катарга жайгаштырылат. Жетинчи период актинийге мүнөздөмөлөрү боюнча окшош радиоактивдүү элементтердин тобун камтыйт. Актиниддер Д. И. Менделеевдин химиялык элементтеринин таблицасынын сыртында, лантан үй-бүлөсүнүн катарында жайгашкан. Бул элементтер эң аз изилденген, анткени алардын атомдорунун ядролору радиоактивдүүлүккө байланыштуу абдан туруксуз. Эске салсак, лантаниддер жана актиниддер ички өткөөл элементтер жана алардын физикалык-химиялык мүнөздөмөлөрү бири-бирине абдан жакын.
Өнөр жайда металл өндүрүүнүн жалпы ыкмалары
Рудалардан түз казылып алынуучу торий, протактий жана уранды кошпогондо, калган актиниддерди металл уранынын үлгүлөрүн тез кыймылдаган нейтрон агымдары менен нурлантуу жолу менен алууга болот. Өнөр жайлык масштабда нептуний жана плутоний өзөктүк реакторлордон иштетилген отундан казылып алынат. Актиниддерди өндүрүү кыйла татаал жана кымбат процесс экендигин белгилей кетүү керек, анын негизги ыкмалары ион алмашуу жана көп баскычтуу экстракция болуп саналат. Сейрек кездешүүчү элементтер деп аталган лантаниддер алардын хлориддерин же фториддерин электролиздөө жолу менен алынат. Металлотермикалык ыкма өтө таза лантаниддерди алуу үчүн колдонулат.
Ички өткөөл элементтер колдонулган жерде
Биз изилдеп жаткан металлдарды колдонуу диапазону бир топ кеңири. Анемондордун үй-бүлөсү үчүн бул, биринчи кезекте, өзөктүк курал жана энергия. Актиниддер медицинада, кемчиликтерди аныктоодо жана активдештирүү анализинде да маанилүү. Ядролук реакторлордо нейтрондорду кармоонун булактары катары лантаниддердин жана актиниддердин колдонулушун этибарга албай коюуга болбойт. Лантаниддер ошондой эле чоюнга жана болотко легирлөөчү кошумчалар катары, ошондой эле фосфорлорду өндүрүүдө колдонулат.
Жаратылышта таралган
Актиниддердин жана лантаниддердин оксиддери көбүнчө цирконий, торий, иттрий жери деп аталат. Алар тиешелүү металлдарды алуу үчүн негизги булак болуп саналат. Уран актиниддердин негизги өкүлү катары литосферанын сырткы катмарында төрт түрдүү руда же минерал түрүндө кездешет. Биринчиден, бул урандын чайыры, ал урандын диоксиди. Анын курамында эң жогорку металл бар. Көбүнчө урандын диоксиди радий кендери (веналар) менен коштолот. Алар Канадада, Францияда, Заирде кездешет. Торий жана уран рудаларынын комплекстери көбүнчө алтын же күмүш сыяктуу башка баалуу металлдардын рудаларын камтыйт.
Мындай сырьёлордун запастары Россияда, ЮАРда, Канадада жана Австралияда бай. Кээ бир чөкмө тектерде карнотит минералы бар. Анын курамында урандан тышкары ванадий да бар. Төртүнчүуран чийки затынын түрү фосфат рудалары жана темир-уран сланецтери. Алардын запастары Марокко, Швеция жана АКШда жайгашкан. Азыркы учурда уран аралашмалары бар лигнит жана көмүр кендери да келечектүү деп эсептелет. Алар Испанияда, Чехияда, ошондой эле АКШнын эки штатында - Түндүк жана Түштүк Дакотада казылып алынат.
